Аксиальное профилирование в ТВС ВВЭР-1200… Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
advertisement
Аксиальное профилирование в ТВС ВВЭР-1200… В.И. САВАНДЕР, Б.Е. ШУМСКИЙ, Н.И. БЕЛОУСОВ, А.А. ПИНЕГИН 1 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» 1 Российский научный центр «Курчатовский институт», Москва АКСИАЛЬНОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ В ТВС ВВЭР-1200 ДЛЯ МИНИМИЗАЦИИ ОБЪЕМНОЙ ДОЛИ ПАРА Представлены результаты исследования минимизации доли пара в активной зоне реактора ВВЭР-1200. В качестве способа минимизации доли пара используется аксиальное профилирование поля энерговыделения за счет неравномерного распределения по высоте твэга выгорающего поглотителя (гадолиния). Исследования проводились при помощи компьютерного моделирования с использованием кода NOSTRA. В настоящее время в России на АЭС с реакторами ВВЭР-1000 реализуются мероприятия по повышению энерговыработки – внедрение топливного цикла с длительностью кампаний до 18 месяцев и увеличение номинальной мощности энергоблоков. Данные мероприятия приводят к ужесточению условий эксплуатации ТВС в активной зоне, в частности, к эксплуатации в условиях повышенного паросодержания в теплоносителе. Одновременно ведется разработка нового проекта – АЭС-2006 на базе реактора ВВЭР-1200, в котором допускается значительное увеличение паросодержания – 13 % массовых уже при стационарном режиме. В проекте ВВЭР-1200 параметры теплоносителя, мощность реактора и ограничение на распределение по-кассетного энерговыделения подобраны таким образом, что объемное кипение отсутствует в активной зоне реактора. Но благодаря тому, что в верхней части активной зоны на поверхности значительной части твэлов устанавливается температура, превышающая температуру насыщения, наблюдается поверхностное пузырьковое кипение. Процесс поверхностного кипения может приводить к появлению отложений на оболочке твэлов, ухудшающих теплофизические и нейтронно-физические свойства твэлов. Следовательно, понижение доли неравновесного пара в активной зоне ВВЭР-1200 является актуальной задачей. В данной работе представлено исследование минимизации доли неравновесного пара за счет аксиального профилирования энерговыделения. Все расчеты проводились с помощью аттестованной программы NOSTRA [1], разработанной на кафедре «Теоретической и экспериментальной физики ядерных реакторов» МИФИ. Для определения штатной ситуации с парообразованием в активной зоне ВВЭР-1200 были проведены расчеты температуры теплоносителя и поверхности оболочки твэла, а также объемной доли пара в наиболее энергонапряженной ТВС при проектной топливной загрузке. Расчеты проводились для начала стационарной кампании в двух вариантах: - для состояния работы реактора на номинальных эксплуатационных параметрах; - для состояния работы реактора на мощности, повышенной на величину погрешности определения, а также при консервативно ухудшенных (в пределах проектных отклонений) параметрах теплоносителя (уменьшенных расходе и давлении, повышенной температуре на входе в активную зону). Из результатов расчетов следует, что даже при номинальных эксплуатационных параметрах реактора ВВЭР-1200 в части активной зоны идет процесс поверхностного парообразования. Интенсивность этого процесса зависит от величины энерговыделения, а также от величины превышения температуры поверхности твэла температуры насыщения и длины участка, на котором достигается это превышение. При консервативных параметрах теплоносителя, из-за более низкого давления в реакторе, температура насыщения оказывается ниже, чем при номинальном давлении, что способствует увеличению длины участка твэла, где температура оболочки превышает температуру насыщения. Увеличение мощности реактора, повышение температуры на входе и уменьшение расхода также способствуют интенсификации процесса парообразования в ТВС. В результате объемная доля пара при консервативных параметрах реактора увеличивается почти в 2 раза. Анализ влияния аксиального профиля энерговыделения на интенсивность парообразования проводился следующим образом. Первоначально рассчитывалось трехмерное поле энерговыделения в активной зоне реактора ВВЭР-1200 на начало равновесной кампании при номинальных эксплуатационных параметрах. Выбиралась наиболее энергонапряженная ТВС из свежезагруженных. Аксиальное распределение энерговыделения этой ТВС использовалось как базовое. В рамках модели «горячего канала» рассчитывались аксиальные распределения температуры топлива, поверхности оболочки твэла, теплоносителя, плотности теплоносителя, истинной Аксиальное профилирование в ТВС ВВЭР-1200… объемной доли пара. При определении мощности «горячего канала» принималось, что величина по-твэльной внутрикассетной неравномерности равна 1,1, а инженерный коэффициент запаса равен 1,16. Аксиальный профиль энерговыделения принимался равным аксиальному профилю энерговыделения ТВС. Таким образом, распределение энерговыделения по высоте z «горячего канала» равнялось: Qгор.кан ( z ) 1,1 1,16 QТВС ( z ) . Усредненная по твэлу φ, %_ Далее, исходное аксиальное распределение энерговыделения твэла «горячего канала» варьировалось с изменением аксиального коэффициента неравномерности, но с сохранением полной мощности твэла. Варьирование аксиального профиля проводилось аналитически с использованием разложения по простейшим функциям. Результаты расчетов показали, что при увеличении смещения энерговыделения в нижнюю часть активной зоны область, где температура поверхности оболочки твэла достигает температуры насыщения, также смещается ближе к входу в активную зону. Тепловой поток через поверхность оболочки твэла в верхней части активной зоны уменьшается, что приводит к уменьшению объемной доли пара, величина температуры поверхности оболочки твэла становится несколько ниже, хотя и остается на уровне температуры Лейден–Фроста. Однако скорость снижения объемной доли пара по мере приближения к предельному значению локальной линейной нагрузки на твэл (420 Вт/см) также снижается. На рис. 1 представлены результаты влияния офсета энерговыделения «горячего канала», который является мерой искажения аксиального профиля энерговыделения, на величину средней по высоте твэла объемной доли пара. Следует учитывать, что офсет энерговыделения «горячего канала» не равен офсету энерговыделения по всей активной зоне. Влияние аксиального перераспределения поглотителя на аксиальный офсет активной зоны значительно слабее, чем на офсет ТВС с твэгами, так как доля ТВС с невыгоревшим поглотителем составляет не более одной четвертой в 12-месячном топливном цикле. Следует также отметить, что при уменьшении кратности перегрузок (трехгодичный, двухгодичный топливные циклы) влияние перераспределения поглотителя на офсет активной зоны увеличивается. 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 Офсет, % Рис. 1. Средняя истинная объемная доля пара φ в зависимости от офсета «горячего канала» Следующим шагом исследования было моделирование смещения энерговыделения в ТВС в нижнюю часть активной зоны за счет аксиального перераспределения гадолиния в твэгах. Эффект от аксиального профилирования поглотителя в твэге в наибольшей степени может проявиться в начале первой топливной кампании. Для того чтобы иметь возможность учесть это влияние, исследования проводились для начала стационарной топливной кампании АЭС-2006 12-месячного топливного цикла. Анализ процесса парообразования в активной зоне АЭС-2006 (ВВЭР-1200) важен с точки зрения изучения масштаба отложений на поверхности твэлов в результате кипения. Величина отложений зависит от среднестатистического состояния активной зоны в течение кампании. Поэтому в качестве исходных данных для расчетов были выбраны номинальные эксплуатационные параметры реактора. Эффект поверхностного кипения теплоносителя может наблюдаться не для всех твэлов даже наиболее энергонапряженной ТВС. Поэтому расчетные исследования проводились для «горячего канала», характеризующегося максимальной по ТВС мощностью твэла и учетом конструктивных и физических неопределенностей при расчете мощности. Аксиальное профилирование весовой доли гадолиния проводилось следующим способом. При переходе от равномерного распределения гадолиния к "профилированным" вариантам посту- Аксиальное профилирование в ТВС ВВЭР-1200… Весовая доля Gd, %_ лировалась неизменность средней по твэгу весовой доли гадолиния, т.е. весовая доля по высоте твэга распределялись таким образом, чтобы общий весовой процент гадолиния в твэге оставался неизменным. За основу взята стандартная для проекта равновесного топливного цикла ВВЭР-1200 весовая доля гадолиния (5 %). Предполагается, что по высоте твэга в топливных таблетках допускаются следующие весовые доли гадолиния: 0, 3, 5 и 8 %. При этом в каждом варианте для всех твэгов применяется одно и то же профилированное распределение поглотителя. На рис. 2 приведен один из вариантов аксиального профилирования весовой доли гадолиния по сравнению со стандартным постоянным по высоте распределением гадолиния в твэгах. Этот вариант профилирования привел к максимальному эффекту уменьшения доли пара при соблюдении условия ограничения на максимальную нагрузку на твэл. В этом варианте в верхней части твэга весовая доля гадолиния увеличивается, а из нижней части гадолиний убирается полностью. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Профиль Проект 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 Номер слоя Рис. 2. Аксиальное распределение весовой доли гадолиния по твэгу в проектном варианте и при профилировании Результаты расчета распределения энерговыделения в активной зоне ВВЭР-1200 показали, что при аксиальном профилировании поглотителя с сохранением средней концентрации поглотителя в твэге, возрастает мощность свежих ТВС, содержащих твэги. Этот эффект связан с "выдавливанием" энерговыделения в нижнюю часть ТВС, в которой больше ценность нейтронов деления из-за меньшей температуры теплоносителя и, соответственно, большей плотности замедлителя. В результате доля пара в этих ТВС возрастает по сравнению с равномерным по высоте распределением поглотителя. Мощность ТВС с профилированным поглотителем можно уменьшить либо за счет снижения обогащения урана, либо за счет повышения средней по твэгу концентрации поглотителя, либо за счет увеличения числа твэгов в ТВС. Для корректного сравнения профилированных и не профилированных загрузок поглотителя с точки зрения объемного паросодержания необходимо уравнять энерговыделение в «горячих каналах» обоих вариантов. После соответствующей нормировки получены аксиальные профили энерговыделения равной интегральной мощности (рис. 3), которые использованы для расчета объемной доли пара. Аксиальные профили истинной объемной доли пара «горячих каналов» при равной интегральной мощности ТВС в проектном и профилированных вариантах показаны на рис. 4. Видно, что при одинаковой интегральной мощности «горячих каналов» аксиальное профилирование поглотителя дает ощутимый эффект уменьшения доли пара (до 30 %). 1. Перераспределение концентрации гадолиния по высоте твэга при сохранении средней концентрации гадолиния в твэге приводит к увеличению мощности ТВС и, соответственно, к увеличению доли пара. Относит. мощность_ Аксиальное профилирование в ТВС ВВЭР-1200… 2 1.6 1.2 0.8 Проект 0.4 Профиль 0 0 5 10 15 20 25 30 Номер слоя Объем. доля пара φ,%_ Рис. 3. Аксиальные профили энерговыделения в ТВС при равной интегральной мощности в проектном и профилированном вариантах 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 Проект Профиль 0 5 10 15 20 25 30 Номер слоя Рис. 4. Аксиальные профили истинной объемной доли пара φ «горячих каналов» при равной интегральной мощности ТВС в проектном и профилированных вариантах 2. По мере выгорания топлива объемная доля пара уменьшается и в конце кампании объемная доля пара для профилированного варианта оказывается ниже, чем для проектной загрузки поглотителя в твэг. 3. Понижение мощности ТВС до величины, соответствующей проектной, при сохранении полученного за счет перераспределения гадолиния аксиального профиля энерговыделения может привести к уменьшению максимальной доли пара в «горячем канале» на 30 % по сравнению с проектным значением. 4. Понижение мощности ТВС с профилированным твэгом возможно либо за счет снижения обогащения урана, либо за счет повышения средней по твэгу концентрации поглотителя, либо за счет увеличения числа твэгов в ТВС. 5. Для выработки рекомендаций по использованию топливных загрузок с профилированными твэгами требуются многовариантные оптимизационные исследования распределения поглотителя по длине твэга и изменения обогащению урана. 6. Кроме того, требуется обоснование безопасности эксплуатации ВВЭР-1200 с точки зрения влияния аксиального профилирования гадолиния и соответствующего смещения поля нейтронов в нижнюю часть активной зоны на дифференциальную эффективность рабочих групп, работу РОМ и АРМ при нарушениях нормальных условий эксплуатации. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Программа NOSTRA (версия 5.0). Аттестационный паспорт программного средства. Регистрационный номер ПС в ЦОЭП №478 от 25.07.2000. Регистрационный номер паспорта аттестации ПС № 167 от 23.12.2003. Федеральный надзор России по ядерной и радиационной безопасности. Москва. 2003.
